חומצה זרחתית (H3PO4): מבנה, תכונות, שימושים - כִּימִיָה - 2025

חומצה זרחתית היא oxoacid של זרחן שיש נוסחה כימית H ₃ PO ₄ . היא מורכבת מחומצה מינרלית שבה שלושה פרוטונים חומציים קשורים לאניון הפוספט (PO ₄ ^3– ). למרות שהיא לא נחשבת כחומצה חזקה, השימוש הלא נכון שלה עלול להוות סיכון בריאותי.

ניתן למצוא אותו בשני מצבים: כמוצק בצורה של גבישים אורתורומביים עבים, או כנוזל גבישי בעל מראה סירופי. במצגת המסחרית הנפוצה ביותר שלה יש ריכוז של 85% משקל / וו וצפיפות של 1.685 גרם / ס"מ ³ . צפיפות זו מגיעה מיד הריכוז.

בתמונה למעלה נראה מולקולה יחידה של חומצה זרחתית. מאת Leyo, מ- Wikimedia Commons

שלוש הקבוצות OH אחראיות לתרומת הידרוגנים חומציים. בשל נוכחותם במבנה, הוא יכול להגיב עם הידרוקסידים שונים, שמקורם במלחים שונים.

במקרה של נתרן הידרוקסיד, הוא יכול ליצור שלושה: נתרן פוספט מונובאסי (NaH ₂ PO ₄ ), נתרן פוספט דיבאסי (Na ₂ HPO ₄ ), ו נתרן פוספט שבטי (Na ₃ PO ₄ ).

עם זאת, תלוי באיזה בסיס משמש לנטרולו, או אילו קטיונים קרובים אליו מאוד, הוא יכול ליצור מלחי פוספט אחרים. ביניהם: סידן פוספט (Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ ), ליתיום פוספט (Li ₃ PO ₄ ), פוספט ברזלי (FePO ₄ ) ואחרים. כל אחת עם דרגות הגיבוי השונות של אניון הפוספט.

לעומת זאת, חומצה זרחתית יכולה "לקשור" קטיונים דו-ערכיים כמו Fe ²⁺ , Cu ²⁺ , Ca ²⁺ ו- Mg ²⁺ . בטמפרטורות גבוהות הוא יכול להגיב מעצמו עם אובדן של מולקולת H ₂ O ויוצר דימרים, טרימרים ופולימרים של חומצות זרחן.

סוג זה של תגובה גורם לתרכובת זו להיות מסוגלת להקים מספר רב של מבנים עם שלדי זרחן וחמצן, מהם ניתן להשיג גם מגוון רחב של מלחים הידועים בשם פוליפוספטים.

בנוגע לגילויו, הוא סונתז בשנת 1694 על ידי רוברט בויל, תוך שהוא ממיס את P ₂ O ₅ (פנטוקסיד זרחן) במים. זוהי אחת החומצות המינרליות השימושיות ביותר, כאשר תפקידה כדישון הוא החשוב ביותר. זרחן, יחד עם אשלגן וחנקן, הם שלושת החומרים המזינים העיקריים מהצומח.

מבנה כימי

על ידי שום סופר שלא ניתן לקרוא במכונה. H פאדלקס הניח (בהתבסס על טענות בזכויות יוצרים). באמצעות Wikimedia Commons

חומצה זרחתית מורכבת מקשר P = O ושלושה P-OH, כאשר האחרונים הם נשאים של ההידרוגנים החומציים המשתחררים במדיום פירוק. כאשר אטום הזרחן במרכז, המחמיצים שואבים מעין טטרהדרול מולקולרי.

באופן זה ניתן לדמיין חומצה זרחתית כטטרדרון. מנקודת מבט זו, הטטרהדררה האמורה (על ידי יחידות H ₃ PO ₄ ) אינטראקציה זו עם זו באמצעות קשרי מימן; כלומר, הקודקודים שלהם מקורבים מקרוב.

אינטראקציות בין-מולקולריות אלה מאפשרות לחומצה הזרחתית להתגבש לשני מוצקים: האחד-מים האחד וההמידידראט (H ₃ PO ₄ · 1 / 2H ₂ O), שניהם עם מערכות גביש מונוקליניות. ניתן לתאר את צורתו המיידית עם הנוסחה: 3H ₂ O · P ₂ O ₅ , השווה לפנטוקסיד זרחן-טרי.

טטרהדרונים יכולים אפילו להיות מקושרים בצורה קוולנטית, אך בשביל זה אחת מהיחידות שלהם חייבת לחסל מולקולת מים באמצעות התייבשות. מצב זה מתרחש כאשר H ₃ PO ₄ נתון לחימום, וכתוצאה מכך הוא יוצר חומצות פולי-פוספוריות (PA).

חומצה דיפוספורית (H

הפשוטה ביותר מבין כל הרשות הפלסטינית היא חומצה דיפוספורית (H ₄ P ₂ O ₇ ), הידועה גם בשם חומצה פירופוספורית. המשוואה הכימית להיווצרותה היא כדלקמן:

2H ₃ PO ₄ <=> H ₄ P ₂ O ₇ + H ₂ O

האיזון תלוי בכמות המים ובטמפרטורה. מה המבנה שלה? בתמונה בחלק זה, מבנים הפינה השמאלית העליונה של המבנים של חומצה אורתופוספורית וחומצה פירופוספורית.

שתי יחידות מצטרפות קוולנטית כאשר מחסלת מולקולת מים ויוצרת גשר חמצן P-O-P ביניהן. עכשיו הם לא שלושה הידרוגנים חומציים, אלא ארבעה (ארבע קבוצות -OH). בגלל זה, ל- H ₄ P ₂ O ₇ יש ארבעה קבועים ליינון k _a .

חומצות פולי-זרחן

התייבשות יכולה להמשיך עם חומצה פירופוספורית אם החימום ממשיך. למה? מכיוון שבכל קצה של המולקולה שלה יש קבוצת OH הניתנת להסרה כמולקולת מים, ובכך לקדם את הצמיחה של השלד P - O - P - O - P …

דוגמאות לחומצות אלו הינן חומצות טריפוליפוספור וחומצות טטראפוליפוספור (שתיהן מופיעות בתמונה). ניתן לראות כיצד עמוד השדרה P-O-P מתארך במעין שרשרת המורכבת מהטרה -דרה.

ניתן לייצג תרכובות אלה על ידי הנוסחה HO (PO ₂ OH) _x H, כאשר HO הוא הקצה השמאלי שניתן להתייבש. PO ₂ OH הוא עמוד השדרה הזרחני עם קשרי P = O ו- OH; ו- x הן יחידות או מולקולות חומצה זרחתית הנחוצות להשגת השרשרת האמורה.

כאשר תרכובות אלה מנוטרלות לחלוטין עם בסיס, נוצרות מה שנקרא פוליפוספטים. תלוי באילו קטיונים מקיפים אותם, הם יוצרים מגוון רחב של מלחי פולי-פוספט.

מצד שני, אם הם מגיבים עם אלכוהולי ROH, ההידרוגנים בעמוד השדרה שלהם מוחלפים על ידי תחליפי R- אלקיל. לפיכך, אסטרים פוספטיים (או פוליפוספטים) מתעוררים: RO (PO ₂ OR) _x R. מספיק להחליף H עבור R בכל מבני תמונת החלק כדי להשיג אותם.

חומצות פוליפוספוריות מחזוריות

שרשראות ה- P-O-P יכולות אפילו להיסגר על טבעת או מחזור זרחן. הפשוטה ביותר מסוג זה של תרכובת היא חומצה טרימטאפוספורית (פינה ימנית עליונה של התמונה). לפיכך APs יכולים להיות לינאריים, מחזוריים; או אם המבנים שלהם מציגים את שני הסוגים, מסועפים.

מִנוּחַ

מקור: commons.wikimedia.org

המינוח של חומצה זרחתית מוכתב על ידי ה- IUPAC וכיצד קוראים למלחים הטרינריים של חומצות אוקסו.

מכיוון שב- H ₃ PO ₄ לאטום P יש ערכיות +5, הערך הגבוה ביותר, החומצה שלו מוקצית הסיומת -יקו לקידומת זרחן.

יָשָׁר

עם זאת, חומצה זרחתית נקראת גם בדרך כלל חומצה אורתופוספורית. למה? כי המילה 'אורתו' היא יוונית ומשמעותה 'אמיתית'; מה שיתרגם ל"צורה האמיתית "או" הידר יותר "שלה.

כאשר הזרחן המים נטול מים מוגזם עם עודף מים (P ₄ O ₁₀ , הכובע "זרחן" בתמונה העליונה), נוצר H ₃ PO ₄ (3H ₂ O · P ₂ O ₅ ). לפיכך, הקידומת אורתו מוקצית לאותן חומצות הנוצרות עם הרבה מים.

פירו

הקידומת pyro מתייחסת לכל תרכובת שמקורה לאחר יישום החום, שכן חומצה דיפוספורית נובעת מהתייבשות תרמית של חומצה זרחתית. לכן היא נקראת חומצה פירופוספורית (2H ₂ O · P ₂ O ₅ ).

מטרה

מטא הקידומת, שהיא גם מילה יוונית, פירושה 'אחרי'. זה מתווסף לחומרים שהפורמולה שלהם ביטלה מולקולה, במקרה זה, של מים:

H ₃ PO ₄ => HPO ₃ + H ₂ O

שימו לב שהפעם תוספת של שתי יחידות זרחן אינה מתרחשת כיצירת חומצה דיפוספורית, אלא במקום זאת מתקבלת חומצה מטא-פוספורית (אשר אין עדות לקיומה).

כמו כן, חשוב לציין כי ניתן לתאר חומצה זו כ- H ₂ O · P ₂ O ₅ (בדומה לממדרט, הכפלת HPO ₃ ב- 2). קידומת המטא תואמת בצורה מושלמת עם רשות PA מחזוריות, מכיוון שאם חומצה תלת-זרחתית מתייבשת, אך אינה מוסיפה _יחידה נוספת של H ₃ PO ₄ כדי להפוך לחומצה טטרה-פוספורית, עליה ליצור טבעת.

וזה אותו דבר עם חומצות פולימפת-זרחניות אחרות, אם כי ה- IUPAC ממליץ לקרוא להם תרכובות מחזוריות של הרשות המקבילה.

נכסים

נוסחה מולקולרית

ח ₃ PO ₄

משקל מולקולרי

97.994 גרם / מול

מראה חיצוני

בצורתו המוצקה הוא מציג גבישים אורתורומומבים, היגרוסקופיים ושקופים. בצורה נוזלית הוא גבישי עם מראה של סירופ צמיגי.

זה זמין מסחרית בתמיסה מימית בריכוז של 85% w / w. בכל המצגות האלה אין לו ריח.

נקודות רתיחה והתכה

158 מעלות צלזיוס (316 מעלות צלזיוס בטמפרטורה של 760 מ"מ ג"ג).

42.2 מעלות צלזיוס.

מסיסות במים

548 גרם / 100 גר 'H ₂ O ב 20 מעלות צלזיוס; 369.4 גרם / 100 מ"ל בטמפרטורה של 0.5 מעלות צלזיוס; 446 גרם / 100 מטר בטמפרטורה של 14.95 מעלות צלזיוס.

צְפִיפוּת

1.892 גרם / ס"מ ³ (מוצק); 1.841 גרם / ס"מ ³ (תמיסה של 100%); 1.685 גרם / ס"מ ³ (תמיסת 85%); 1.334 גרם / ס"מ ³ תמיסה של 50%) בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס.

צפיפות אדים

יחסית לאוויר 3,4 (אוויר = 1).

הצתה אוטומטית

זה לא דליק.

צְמִיגוּת

3.86 mPoise (תמיסת 40% בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס).

חוּמצִיוּת

pH: 1.5 (תמיסת 0.1 N במים)

pKa: pKa1 = 2.148; pKa2 = 7.198 ו- pKa3 = 12.319. לכן המימן החומצי ביותר שלך הוא הראשון.

הִתפָּרְקוּת

כאשר הוא מחומם, הוא משחרר תחמוצות זרחן. אם הטמפרטורה עולה ל- 213 מעלות צלזיוס ומעלה, היא הופכת לחומצה פירופוספורית (H ₄ P ₂ O ₇ ).

קורוזיביות

קורוזיבי למתכות ברזליות ואלומיניום. התגובה עם מתכות אלה מולידה גז דלק מימן.

פילמור

פולימריזציה באלימות עם תרכובות אזו, אפוקסידים ותרכובות פולימריות.

יישומים

מלחי פוספט ושימושים כלליים

חומצה זרחתית משמשת כבסיס לייצור פוספטים המשמשים כדישון מכיוון שזרחן הוא חומר מזין עיקרי בצמחים.

-הוא שימש לטיפול בהרעלת עופרת ובמצבים אחרים בהם נדרשים כמויות משמעותיות של פוספט וייצור חמצת קלה.

-משמש לבקרת ה- pH של דרכי השתן של מינקים והוצאות על מנת למנוע היווצרות אבנים בכליות.

-חומצה פוספורית מולידה את מלחי Na ₂ HPO ₄ ו- NaH ₂ PO ₄ המהווים מערכת חיץ pH עם pKa של 6.8. מערכת ויסות pH זו קיימת באדם, והיא חשובה בוויסות ה- pH התוך-תאי, כמו גם בניהול ריכוז המימן בתאורות הדיסטליות והאיסוף של הנפרונים.

זה משמש לביטול השכבה העובשת של תחמוצת הברזל המצטברת על מתכת זו. חומצה זרחתית יוצרת זרחן מברזל שניתן להסיר בקלות ממשטח המתכת. הוא משמש גם לליטוש חשמלי של אלומיניום ומהווה חומר מחייב למוצרים עקשן כמו אלומינה ומגנזיה.

תַעֲשִׂיָתִי

-חומצה פוספורית משמשת כחומר קטליטי בייצור ניילון ובנזין. הוא משמש כחומר התייבשות בחריטה ליטוגרפית, בייצור צבעים לשימוש בתעשיית הטקסטיל, בתהליך קרישת לטקס בתעשיית הגומי ובטיהור מי חמצן.

חומצה משמשת כתוסף למשקאות קלים, ובכך תורם לטעמו. מדולל מוחל בתהליך זיקוק הסוכר. זה משמש גם כמערכת חיץ בהכנת חזיר, ג'לטין ואנטיביוטיקה.

זה לוקח חלק בהרחבה של חומרי הניקוי, בקטליזה החומצית של ייצור האצטילן.

-הוא משמש כחומצה בחומצה במזון מאוזן לתעשיית בעלי החיים וחיות המחמד. תעשיית התרופות משתמשת בה בייצור תרופות אנטי-אמטיות. הוא משמש גם בתערובת לייצור אספלט לסלילת האדמה ותיקון סדקים.

-חומצה פוספורית משמשת כזרז בתגובת ההידרציה של אלקנים לייצור אלכוהול, בעיקר אתנול. בנוסף, הוא משמש לקביעת פחמן אורגני בקרקעות.

שיניים

משתמשים בו על ידי רופאי שיניים לניקוי ומצבם של משטח השן לפני הנחת סוגריים שיניים. הוא מוצא שימוש גם בהלבנת שיניים ובהסרת פלאק שיניים. בנוסף, הוא משמש בייצור דבקים לתותבות שיניים.

קוסמטיקה

חומצה זרחתית משמשת להתאמת pH במוצרי קוסמטיקה וטיפוח העור. הוא משמש כחומר חמצון כימי לייצור פחמן פעיל.

היווצרות של חומצה זרחתית

-חומצה פוספורית מוכנה מסלעי פוספט מסוג אפטיט, על ידי עיכול עם חומצה גופרתית מרוכזת:

Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ + 3 H ₂ SO ₄ + 6 H ₂ O => 2 H ₃ PO ₄ + 3 ( CaSO ₄ .2H ₂ O)

החומצה הזרחנית המתקבלת בתגובה זו היא בעלת טוהר נמוך, וזו הסיבה שהיא עוברת תהליך טיהור הכולל משקעים, מיצוי ממס, התגבשות וטכניקות חילופי יונים.

ניתן לייצר חומצה זרחתית על ידי המסת חמצן זרחן במים רותחים.

ניתן להשיג אותו גם באמצעות חימום זרחן בתערובת של אוויר ואדי מים:

P ₄ (l) + 5 O ₂ (g) => P ₄ O ₁₀ (s)

P ₄ O ₁₀ (ים) + H ₂ O (g) => 4H ₃ PO ₄ (l)

סיכונים

מכיוון שלחץ האדים שלה נמוך בטמפרטורת החדר, סביר להניח כי אדים לא תשאפו אלא אם תרסיס תרסיס. אם כן, תסמיני השאיפה כוללים: שיעול, כאב גרון, קוצר נשימה ונשימה עמוקה.

- בספרות מצוין המקרה של מלח שנחשף לאדי חומצה זרחתית במשך תקופה ארוכה. הוא סבל מחולשה כללית, שיעול יבש, כאבים בחזה ובעיות נשימה. בתוך שנה מחשיפה נצפתה תפקוד לקוי של דרכי הנשימה.

-מגע דלי עם חומצה זרחתית יכול לגרום לאודם, כאבים, שלפוחיות וכוויות בעור.

-מגע החומצה עם העיניים, תלוי בריכוז ובמשך המגע, עלול לגרום לפגיעות ברקמות מאכלות או לכוויות קשות עם נזק תמידי לעיניים.

- בליעת החומצה גורמת לשריפה בפה ובגרון, תחושת צריבה מעבר לעצם החזה, כאבי בטן, הקאות, הלם וקריסה.

הפניות

1. החברה המלכותית לכימיה. (2015). חומצה זרחתית. נלקח מ: chemspider.com
2. המרכז הקנדי לבטיחות ובריאות תעסוקתית. (1999). חומצה זרחתית - השפעות בריאותיות. נלקח מ: ccsso.ca
3. חומצות. מידע. (2018). חומצה זרחתית »מגוון שימושים בתרכובת כימית זו. נלקח מ: acidos.info
4. ג'יימס פ. סמית ', וולטר א. בראון, וג'יימס ר. לר. (1955). מבנה של חומצה זרחתית קריסטלית. ג 'אמ. Chem. Soc. 77, 10, 2728-2730
5. ויקיפדיה. (2018). חומצות זרחן ופוספטים. נלקח מ: en.wikipedia.org
6. מדע הוא כיף. למדו על חומצה זרחתית. . לקוח מתוך: scifun.chem.wisc.edu