Ортофосфорная кислота

Ортофосфорная кислота (фосфорная кислота, E338) — неорганическая кислота средней силы, химическое соединение с формулой H₃PO₄. Представляет собой трёхосновную кислородсодержащую кислоту, в которой атом фосфора находится в высшей степени окисления (+5). В чистом виде при стандартных условиях является твёрдым кристаллическим веществом, однако в промышленности и лабораторной практике чаще всего используется в виде водных растворов различной концентрации. Ортофосфорная кислота широко применяется в производстве минеральных удобрений, в пищевой промышленности в качестве регулятора кислотности и антиоксиданта, в металлообработке, стоматологии и органическом синтезе.

История открытия и изучения

Впервые ортофосфорную кислоту получил в 1694 году немецкий алхимик и химик Иоганн Кункель, который сжигал фосфор и растворял образовавшийся белый порошок (оксид фосфора(V)) в воде. Однако систематическое изучение свойств кислоты началось лишь в XVIII веке. В 1746 году французский химик Антуан Лавуазье подтвердил, что фосфорная кислота образуется при сгорании фосфора в кислороде и последующем растворении продукта в воде. В 1770-х годах шведский химик Карл Вильгельм Шееле разработал метод получения кислоты из костей (фосфата кальция) путём обработки их серной кислотой — этот способ до середины XX века оставался основным промышленным методом.

В XIX веке с развитием агрохимии и металлургии возросла потребность в ортофосфорной кислоте, что привело к разработке более эффективных методов её синтеза. В 1840 году Юстус фон Либих показал, что фосфорные удобрения, получаемые из кислоты, значительно повышают урожайность сельскохозяйственных культур. В 1920-х годах был внедрён экстракционный метод получения кислоты из природных фосфатов, который остаётся доминирующим в современной промышленности.

Физические и химические свойства

Физические свойства

В чистом виде ортофосфорная кислота представляет собой бесцветные гигроскопичные кристаллы ромбической сингонии с температурой плавления 42,35 °C. При нагревании выше 213 °C кислота начинает разлагаться, теряя воду и превращаясь в пирофосфорную (H₄P₂O₇) и метафосфорную (HPO₃) кислоты. Безводная кислота хорошо растворима в воде и этаноле, при растворении выделяется значительное количество тепла. Водные растворы ортофосфорной кислоты представляют собой бесцветные сиропообразные жидкости, плотность которых возрастает с концентрацией. Наиболее распространённые концентрации промышленных растворов — 75–85 % (массовая доля H₃PO₄).

Химические свойства

Ортофосфорная кислота является трёхосновной кислотой средней силы (pKₐ₁ = 2,14, pKₐ₂ = 7,20, pKₐ₃ = 12,35). В водных растворах она диссоциирует ступенчато, образуя дигидрофосфат- (H₂PO₄⁻), гидрофосфат- (HPO₄²⁻) и фосфат-ионы (PO₄³⁻). Кислота проявляет все типичные свойства неорганических кислот: реагирует с металлами (с образованием фосфатов и выделением водорода), с основными оксидами и гидроксидами, с солями более слабых кислот.

При нагревании ортофосфорная кислота вступает в реакции дегидратации, образуя конденсированные фосфорные кислоты. При 150–200 °C образуется пирофосфорная кислота, при 300–400 °C — метафосфорная кислота. В отличие от серной или азотной кислот, ортофосфорная кислота не является сильным окислителем, однако в концентрированном виде при нагревании может окислять некоторые органические вещества.

Способы получения

Экстракционный метод

Основной промышленный способ получения ортофосфорной кислоты — экстракционный, основанный на разложении природных фосфатов (апатитов, фосфоритов) серной кислотой: Ca₃(PO₄)₂ + 3H₂SO₄ → 2H₃PO₄ + 3CaSO₄↓ Процесс ведут при температуре 60–80 °C, образующийся сульфат кальция (гипс) отделяют фильтрацией. Полученная кислота содержит примеси (фториды, соединения железа, алюминия, магния), которые удаляют на стадиях очистки. Выход кислоты составляет 90–95 % от теоретического. Этот метод экономически выгоден, но даёт кислоту, загрязнённую примесями, что ограничивает её применение в пищевой промышленности.

Термический метод

Для получения чистой ортофосфорной кислоты (пищевого и реактивного качества) применяют термический метод. Сначала элементарный фосфор сжигают в избытке кислорода, получая оксид фосфора(V): 4P + 5O₂ → 2P₂O₅ Затем P₂O₅ растворяют в воде: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄ Процесс ведут в башнях с орошением, получая кислоту концентрацией 85–90 %. Термическая кислота отличается высокой чистотой (содержание примесей не превышает 0,001 %), но её производство значительно дороже экстракционного.

Лабораторные методы

В лабораторных условиях ортофосфорную кислоту получают окислением белого фосфора азотной кислотой, гидролизом хлорида фосфора(V) PCl₅ или обработкой фосфатов сильными кислотами. Для получения безводной кислоты используют перегонку концентрированных растворов в вакууме.

Применение

Производство удобрений

Основная область применения ортофосфорной кислоты (более 80 % мирового потребления) — производство фосфорных и комплексных минеральных удобрений. Из кислоты получают аммофос (NH₄H₂PO₄), диаммофос ((NH₄)₂HPO₄), суперфосфат (Ca(H₂PO₄)₂), нитроаммофоску и другие удобрения. Фосфор — один из трёх макроэлементов, необходимых растениям, и его дефицит в почве приводит к снижению урожайности.

Пищевая промышленность

В пищевой промышленности ортофосфорная кислота (пищевая добавка E338) используется как регулятор кислотности и антиоксидант. Она входит в состав напитков (например, колы), сыров, плавленых сырков, мясных и рыбных консервов, кондитерских изделий. В хлебопечении её применяют для улучшения структуры теста. В России и странах Евразийского экономического союза использование E338 регламентируется техническими регламентами Таможенного союза (ТР ТС 029/2012, ТР ТС 021/2011). Допустимая суточная доза (ДСД) составляет до 70 мг на килограмм массы тела.

Металлообработка

В металлургии и машиностроении ортофосфорную кислоту применяют для удаления ржавчины (фосфатирование), обезжиривания и создания защитных фосфатных покрытий на чёрных и цветных металлах. Обработка поверхности металла раствором кислоты приводит к образованию тонкой плёнки фосфатов, которая повышает адгезию лакокрасочных материалов и замедляет коррозию.

Стоматология

В стоматологии 30–40 % раствор ортофосфорной кислоты используется для протравливания эмали и дентина перед нанесением композитных пломб и герметиков. Кислота создаёт микрошероховатость на поверхности зуба, улучшая сцепление (адгезию) пломбировочного материала с тканями зуба. Процедура протравливания занимает 15–30 секунд, после чего кислоту смывают водой.

Другие области применения

• Органический синтез: как катализатор (например, в производстве этилена из этанола) и реагент для получения фосфорорганических соединений.
• Производство моющих средств: для умягчения воды и связывания ионов кальция и магния.
• Фармацевтика: в составе некоторых лекарственных препаратов (например, для коррекции кислотно-щелочного баланса).
• Лабораторная практика: как реагент для анализа и синтеза, для приготовления буферных растворов.

Безопасность и воздействие на здоровье

Ортофосфорная кислота относится к веществам 2-го класса опасности (высокоопасные вещества) по ГОСТ 12.1.007-76. Концентрированные растворы (выше 30 %) вызывают химические ожоги кожи и слизистых оболочек, при попадании в глаза — необратимые повреждения роговицы. При вдыхании аэрозоля кислоты возможно раздражение дыхательных путей, отёк лёгких. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны составляет 1 мг/м³ (в пересчёте на H₃PO₄).

При работе с концентрированной кислотой необходимо использовать средства индивидуальной защиты: резиновые перчатки, защитные очки, кислотостойкую одежду. При попадании кислоты на кожу или в глаза требуется немедленное промывание большим количеством воды в течение 15–20 минут, затем обращение к врачу. Разбавленные растворы (до 10 %) менее опасны, но могут вызывать раздражение при длительном контакте.

В пищевых продуктах ортофосфорная кислота при соблюдении допустимых норм не представляет серьёзной угрозы для здоровья. Однако систематическое употребление напитков с высоким содержанием E338 (например, колы) может способствовать вымыванию кальция из костей и развитию остеопороза, а также вызывать эрозию зубной эмали.

Экологические аспекты

Производство ортофосфорной кислоты экстракционным методом связано с образованием значительного количества отходов — фосфогипса (CaSO₄·2H₂O), который содержит примеси фтора, радионуклидов и тяжёлых металлов. Фосфогипс складируется в отвалах, занимающих большие площади, и может загрязнять почвы и грунтовые воды. В России и других странах ведутся исследования по утилизации фосфогипса в строительной промышленности (производство гипсокартона, цемента).

Термический метод менее отходоёмок, но требует больших энергозатрат и использования элементарного фосфора, получение которого связано с выбросами фтористых соединений и оксидов серы. Современные предприятия оснащаются системами очистки выбросов, позволяющими снизить экологическую нагрузку.

Источники

1. ГОСТ 6552-80 «Кислота ортофосфорная. Технические условия».
2. ТР ТС 029/2012 «Требования безопасности пищевых добавок, ароматизаторов и технологических вспомогательных средств».
3. Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. «Общая и неорганическая химия». — М.: Химия, 2000.
4. Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. «Химические свойства неорганических веществ». — М.: Химия, 2000.
5. Позин М. Е. «Технология минеральных удобрений». — Л.: Химия, 1989.
6. Уэллс А. «Структурная неорганическая химия». — М.: Мир, 1987.
7. СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания».