Фосфорная кислота

Фосфорная кислота (ортобосфорная кислота, химическая формула H₃PO₄) — это неорганическая трёхосновная кислородсодержащая кислота средней силы, относящаяся к классу фосфорсодержащих соединений. В чистом виде представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, гигроскопичное и хорошо растворимое в воде. Широко применяется в промышленности, сельском хозяйстве, пищевой отрасли и медицине. Является одним из важнейших продуктов фосфорной промышленности и основой для производства фосфорных удобрений.

История открытия и получения

Фосфорная кислота была впервые получена в XVII веке. В 1669 году немецкий алхимик Хенниг Бранд, пытаясь найти философский камень, выделил белый фосфор из мочи. При сжигании фосфора на воздухе образовывался белый дым — оксид фосфора(V), который при растворении в воде давал раствор фосфорной кислоты. Однако систематическое изучение кислоты началось позже, в XVIII—XIX веках, с развитием химии фосфора.

В промышленных масштабах фосфорную кислоту начали производить в середине XIX века. Первоначально её получали обработкой костей серной кислотой, что позволяло извлекать фосфаты. С развитием технологии переработки фосфоритов и апатитов в XX веке основным методом стал экстракционный способ, а также термический метод, обеспечивающий получение более чистой кислоты.

Физические и химические свойства

Физические свойства

В чистом виде фосфорная кислота — это бесцветные гигроскопичные кристаллы с температурой плавления 42,35 °C. При нагревании выше 213 °C она начинает разлагаться, теряя воду и превращаясь в пирофосфорную (H₄P₂O₇) и метафосфорную (HPO₃) кислоты. Кислота хорошо смешивается с водой в любых соотношениях, при этом выделяется значительное количество тепла. Концентрированные растворы (85—90 %) представляют собой сиропообразную жидкость без запаха.

Химические свойства

Фосфорная кислота является трёхосновной кислотой средней силы (константа диссоциации по первой ступени K₁ = 7,1·10⁻³). В водных растворах она диссоциирует ступенчато, образуя дигидрофосфат-, гидрофосфат- и фосфат-ионы. Вступает в реакции нейтрализации с основаниями, образуя три типа солей: фосфаты (например, Na₃PO₄), гидрофосфаты (Na₂HPO₄) и дигидрофосфаты (NaH₂PO₄). При нагревании способна к дегидратации, образуя конденсированные фосфорные кислоты. Реагирует с металлами, стоящими в ряду активности до водорода, с выделением водорода. Является слабым окислителем.

Способы получения

В промышленности фосфорную кислоту получают двумя основными методами: экстракционным и термическим.

Экстракционный метод

Наиболее распространённый способ (около 90 % мирового производства). Заключается в обработке природных фосфатов (апатитов, фосфоритов) серной кислотой. Реакция идёт по уравнению: Ca₃(PO₄)₂ + 3H₂SO₄ → 2H₃PO₄ + 3CaSO₄↓ Образующийся сульфат кальция (гипс) отделяют фильтрацией. Полученная кислота содержит примеси (фтор, железо, алюминий, магний) и требует дальнейшей очистки. Экстракционная фосфорная кислота используется преимущественно для производства удобрений.

Термический метод

Более дорогой, но позволяющий получать кислоту высокой чистоты (до 99,9 %). Фосфорсодержащее сырьё (фосфориты или апатиты) в смеси с коксом и кремнезёмом восстанавливают в электропечах при температуре 1200—1500 °C. Образующийся элементарный фосфор конденсируют, затем сжигают в токе воздуха, получая оксид фосфора(V), который растворяют в воде. Термическая кислота используется в пищевой промышленности, медицине и для производства технических солей.

Применение

Фосфорная кислота и её соли находят применение в различных отраслях.

Производство удобрений

Основная область потребления (около 70—80 % всей производимой кислоты). Из неё получают простые и сложные фосфорные удобрения: суперфосфат, двойной суперфосфат, аммофос, диаммофос, нитроаммофоску. Фосфор — один из трёх ключевых макроэлементов питания растений (наряду с азотом и калием), необходимый для энергетического обмена, роста корневой системы и созревания плодов.

Пищевая промышленность

В пищевой промышленности фосфорная кислота зарегистрирована как пищевая добавка E338. Используется в качестве регулятора кислотности, антиоксиданта и влагоудерживающего агента. Применяется:

• в производстве безалкогольных напитков (особенно колы) для придания кисловатого вкуса;
• в кондитерских изделиях (как разрыхлитель и стабилизатор);
• при переработке мяса и рыбы для улучшения текстуры и увеличения выхода продукта;
• в сыроделии и производстве плавленых сыров.

Промышленность

• Металлообработка: используется для травления и очистки металлических поверхностей от ржавчины и окалины, а также для фосфатирования — нанесения защитных фосфатных покрытий.
• Производство моющих средств: входит в состав средств для удаления накипи, ржавчины и минеральных отложений.
• Нефтегазовая отрасль: применяется для очистки трубопроводов и оборудования от отложений.
• Производство огнеупорных материалов: входит в состав связующих для изготовления огнеупорных бетонов и керамики.
• Электронная промышленность: используется для травления полупроводниковых пластин и в производстве жидкокристаллических дисплеев.

Медицина и стоматология

В медицине фосфорная кислота (в виде разбавленных растворов) применяется как компонент некоторых лекарственных средств, в том числе для коррекции ацидоза и в составе растворов для парентерального питания. В стоматологии используется для протравливания эмали перед нанесением пломбировочных материалов и герметиков, а также в составе некоторых средств для отбеливания зубов.

Сельское хозяйство

Помимо удобрений, фосфорная кислота используется для подкисления воды в системах капельного орошения и для приготовления жидких комплексных удобрений. Фосфаты кальция и аммония применяются в качестве кормовых добавок для животных.

Безопасность и воздействие на организм

Фосфорная кислота относится к веществам 2-го класса опасности (высокоопасные). Концентрированная кислота (выше 85 %) вызывает сильные химические ожоги кожи и слизистых оболочек. При попадании в глаза может привести к необратимому повреждению роговицы. Пары кислоты раздражают дыхательные пути. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны составляет 1 мг/м³.

При работе с концентрированной кислотой требуется использование средств индивидуальной защиты: резиновых перчаток, защитных очков, кислотостойкой одежды и респиратора. Разбавление кислоты водой следует проводить медленно, приливая кислоту в воду (а не наоборот), чтобы избежать вскипания и разбрызгивания.

В пищевых продуктах содержание фосфорной кислоты строго регламентируется. Избыточное потребление фосфатов (в том числе с газированными напитками) может способствовать вымыванию кальция из костей и развитию остеопороза, а также нарушению работы почек.

Экологические аспекты

Производство фосфорной кислоты экстракционным методом связано с образованием большого количества отходов — фосфогипса (сульфата кальция с примесями). На каждую тонну полученной кислоты образуется около 4—5 тонн фосфогипса. Этот отход содержит остаточную кислоту, фтор, редкоземельные элементы и радиоактивные примеси (уран, торий). Накопление фосфогипса в отвалах представляет экологическую проблему, так как он может загрязнять почвы и грунтовые воды. Ведётся поиск способов утилизации фосфогипса, в том числе его использования в строительстве, дорожном хозяйстве и производстве цемента.

Интересные факты

• Фосфорная кислота является одним из компонентов «кислотных дождей», хотя её вклад в их образование значительно меньше, чем у серной и азотной кислот.
• В организме человека фосфорная кислота (в виде фосфатов) входит в состав костной ткани, зубной эмали, АТФ и ДНК.
• В 2010-х годах в ряде стран (в том числе в России) обсуждалось возможное ограничение использования фосфорной кислоты в напитках из-за её связи с риском развития остеопороза, однако полного запрета не последовало.
• Фосфорная кислота способна растворять некоторые виды камней в почках (струвитные), что используется в медицине для промывания почечных лоханок.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. — Т. 5.
• Кнунянц И. Л. (ред.) Краткая химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1967. — Т. 5.
• Позин М. Е. Технология минеральных удобрений. — Л.: Химия, 1989.
• ГОСТ 10678-76 «Кислота ортофосфорная термическая. Технические условия».
• СанПиН 2.3.2.1293-03 «Гигиенические требования по применению пищевых добавок».
• Справочник по неорганической химии / под ред. А. Ф. Воробьёва. — М.: Химия, 2001.