Фосфорная кислота и фосфаты

Белорусский государственный университет

Химический факультет

Кафедра неорганической химии

Курсовая работа

Фосфорная кислота и фосфаты

Студентки 1 курса 4 группы

Кивель Марии Сергеевны

Руководитель: ассистент

Антонова Анна Александровна

Минск 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Часть 1. Фосфорная кислота и фосфаты. Теоретические аспекты вопроса

.1 Фосфорная кислота

.1.1 Общая характеристика фосфорной кислоты. Строение молекулы

.1.2 Физико-химические свойства фосфорной кислоты

.2 Фосфаты

.2.1 Общая характеристика фосфатов

.2.2 Строение фосфатов

1.2.3 Физико-химические свойства фосфатов

.3 Возможности и области практического применения

.3.1 Применение фосфорной кислоты

.3.2 Применение фосфатов

.4 Методы синтеза фосфорной кислоты и фосфатов

.4.1 Получение фосфорной кислоты

.4.2 Получение фосфатов

Часть 2. Зачётный синтез. Синтез фосфата висмута (|||)

.1 Теоретическая часть

.1.1 Общая характеристика синтезируемого вещества. Возможные методики синтеза

.1.2 Перечень используемых реактивов и химической посуды

.1.3 Условия проводимого синтеза

.1.4 Техника безопасности

.1.5 Расчёты

.2 Практическая часть

.2.1 Обоснование методики синтеза

.2.2 Изучение полученного вещества. Качественные реакции

.2.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список использованных источников

Введение

Фосфор - химический элемент <#"17" src="doc_zip1.jpg" />

Зачастую, приставку «орто-» отбрасывают, и кислоту вида H3PO4 называют просто фосфорной кислотой.

Спектр применения данной кислоты и её солей очень широк. Поэтому постановка данного вопроса всегда остаётся актуальной. Целью курсовой работы является выявление общих характеристик, анализ химических и физических свойств, поиск всевозможных способов получения и выявление областей применения фосфорной кислоты и фосфатов. Целью проведения лабораторного синтеза является практическое изучение получения, применения и распознавания фосфатов.

Часть 1. Фосфорная кислота и фосфаты. Теоретические аспекты вопроса

1.1 Фосфорная кислота

1.1.1 Общая характеристика фосфорной кислоты. Строение молекулы

Фосфорная кислота - эта кислота, которая представляет собой бесцветные гигроскопичные кристаллы моноклинной сингонии. В данном соединении фосфор находится в своей высшей степени окисления, а именно +5. И является наиболее стабильным соединением в ряду кислородсодержащих кислот фосфора. Фосфор, по числу типов оксокислот и их солей, превосходит любой другой элемент Периодической системы.

Рисунок 1. Строение молекулы фосфорной кислоты

Некоторые из них имеют молекулярное строение, другие являются полимерами. Во всех кислотах атом фосфора имеет координационное число 4, т.е. находится в центре тетраэдра, образованного как атомами кислорода, так и атомами водорода.

Фосфорная кислота - высшая кислота фосфора. В газовой фазе её молекула имеет форму тетраэдра с атомом фосфора в центре, в вершинах тетраэдра находятся атом кислорода и три гидроксогруппы (рис 1). В кристаллическом виде она построена из молекул РО(ОН)3.

Рисунок 2. Водородные связи в молекулярных структурах H3PO4

Молекула <#"center">1.1.2 Физико-химические свойства фосфорной кислоты

В расплавленном состоянии ортофосфорная кислота склонна к переохлаждению: при 150C образует густую маслянистую жидкость <#"251" src="doc_zip4.jpg" />

Ортофосфорная кислота в водных растворах намного слабее серной и азотной кислот. Эта кислота является трехосновной и диссоциирует по трём ступеням(K1= 7,110-3(рКа=2,12), K2=6,210-8 (рКа=7,20), K3=5,010-13 (рКа=12,32); значения K1 и K2 зависят от температуры.

Диссоциация по первой ступени экзотермична, по второй и третьей - эндотермична. Фазовая диаграмма системы H3PO4 - H2O приведена на рис.3. Максимум кривой кристаллизации - при температуре 302,4 К и содержании H3PO4 91,6% (твердая фаза - гемигидрат).

В таблице 1 приведены свойства растворов H3PO4 Как показывают эти данные, в растворе Н3РО4 в основном присутствуют дигидрофосфот-ионы Н2РО4-.

Ионов, образующихся по второй ступени диссоциации, гидрофосфат-ионов НРО42- - значительно меньше. И почти отсутствуют фосфат-ионы РО43- - продукты третьей, последней ступени ионизации.

По первой ступени ионизации фосфорная кислота является кислотой средней силы. В соответствии с существованием трех видов кислотных остатков при нейтрализации фосфорной кислоты щелочами образуются соли: дигидрофосфаты, гидрофосфаты, а также фосфаты, например:

Н3РО4 + NaOH = NaH2PO4 + H2O - дигидрофосфат натрия

H3PO4 + 2NaOH = Na2HPO4 + 2H2O - гидрофосфат натрия

H3PO4 + 3NaOH = Na3PO4 + 3H2O - фосфат натрия

Таблица 1.

Характеристика водных растворов фосфорной кислоты [2]

Содержание по массе %T. затв.,0CT. кип.,0C

кДж/(кгК)

Па с (25 0C)

Удельная электрическая проводимость, См/м (25 0C)Давление пара <#"justify">0C)H3PO4P2O553,620,8100,104,07370,001010,03129,1107,24-2,10100,203,93140,001118,53087,72014,49-6,00100,803,64670,001618,32986,43021,73-11,80101,803,34110,002314,32835,74028,96-21,90103,903,02710,003511,02553,15036,22-41,90104,002,74650,00518,02223,86043,47-76,9114,902,49950,00927,21737,17050,72-43,00127,102,32780,01546,31122,67554,32-17,55135,002,26920,02005,8805,2

В целом, фосфорная кислота обладает всеми типичными свойствами кислот. Растворы фосфорной кислоты могут реагировать с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода. Но так как почти все соли H3PO4 нерастворимы в Н2О, то её реакция с металлами чаще всего идёт только в начальный момент времени, пока осаждающаяся соль не покроет всю поверхность металла и не затруднит доступ кислоты к глубинным слоям металла. После этого реакция (если осадок достаточно плотный) прекращается:

3 Mg + 2H3PO4 = Mg3(PO4)2? + 3H2?

фосфорный кислота синтез реакция

Растворимые соли фосфорной кислоты образованы щелочными металлами, но эти металлы с разбавленными растворами кислоты вероятнее всего реагируют в 2 стадии.

Вначале металл взаимодействует с H2O:

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2?

А затем образовавшаяся щёлочь реагирует с кислотой:

3NaOH + H3PO4 = Na3PO4 + 3H2O

При этом в зависимости от молярного соотношения щелочи и кислоты в растворе могут получаться как кислые, так и средние соли.

С оксидами многих металлов растворы H3PO4 взаимодействуют также только в начальный момент времени, пока нерастворимая соль плотной плёнкой не покроет всю поверхность оксида металла.

Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов с разбавленными растворами кислоты, как и сами эти металлы, могут реагировать в 2 стадии.

Если щелочь взять в недостатке, то реакция может прекратиться на любой из стадий, в зависимости от молярного соотношения исходных веществ.

В несколько стадий протекает и взаимодействие растворов H3PO4 с аммиаком:

H3PO4 + NH3 = NH4H2PO44H2PO4 + NH3 = (NH4)2HPO4

Аммоний-фосфат (NH4)3PO4 в этих условиях получить нельзя, т.к. вследствие гидролиза он тут же полностью превращается в аммоний-гидрофосфат:

(NH4)3PO4 + HOH ? (NH4)2HPO4 + NH3 + H2O

Фосфорная кислота сильнее, чем угольная, сероводородная, кремниевая, поэтому может вытеснять перечисленные кислоты из водных растворов их солей:

2H3PO4 + Na2S = 2NaH2PO4 + H2S?

H3PO4 + Na2CO3 = 2NaH2PO4 + H2О + СО2

2H3PO4 + Na2SiO3 = 2NaH2PO4 + H2SiO3?

К числу специфических свойств фосфорной кислоты можно отнести ее постепенное обезвоживание при сильном нагревании с образованием сначала дифосфорной или пирофосфорной кислоты, а затем - тетраметафосфорной.

Данный процесс обратен переходу тетраметафосфорной кислоты в H3PO4 при растворении фосфор(V)-оксида в воде.

Качественной реакцией на фосфорную кислоту и ее соли в растворе является взаимодействие с AgNO3. При этом образуется осадок серебро(I)-фосфата желтого цвета.

Na3PO4 + 3AgNO3 = Ag3PO4? + 3NaNO3

Полифосфорные кислоты и их соли в аналогичной реакции образуют осадок белого цвета [3].

1.2 Фосфаты

.2.1 Общая характеристика фосфатов

Фосфаты - соли кислородных кислот фосфора в степени окисления +5. Существуют ортофосфаты - соли ортофосфорной кислоты H3PO4 и фосфаты конденсированные - соли полифосфорных кислот. Различают средние, кислые и основные фосфаты, разнокатионные (двойные и тройные соли) и разноанионные (смешанные соли), оксифосфаты, а также различают неорганические производные (например, тиофосфаты).

Кислые фосфаты образуются в результате частичной нейтрализации H3PO4 или полифосфорных кислот основаниями. При полной нейтрализации гидроксидами одного или нескольких металлов получают средние фосфаты. Смешанные соли образуются при нейтрализации смеси кислот, например, ди- и трифосфорных, одним гидроксидом (ординарные разноанионные фосфаты) или несколькими гидроксидами (разнокатионно-разноанионные фосфаты). Нейтрализующим агентом служит и NH3. Конденсированные фосфаты неорганические получают также термической обработкой кислых фосфатов, смесей фосфатов. При этом состав исходного продукта (в пересчете на оксиды) должен отвечать составу синтезируемого соединения. Характеристика некоторых фосфатов представлена в таблице 2.

Таблица 2.

Общая характеристика некоторых фосфатов [4]

СоединениеСингонияПлотность г/см3ОкраскаСредние солиNa3PO4 12H2OТригональная1,62БелаяZn3(PO4)2·4H2O (гопеит)Ромбическая3,104БелаяCa3(PO4)2Гексагональная или моноклинная2,81БелаяMn3(PO4)2Гексагональная2,97БелаяBiPO4Моноклинная6,323БелаяLi3PO412H2O.Тригональная2,537БелаяКислые солиNa2HPO4·2H2OРомбическая2,066БелаяMnHPO4·3H2OМоноклинная3,48БелаяMgHPO43H2OМоноклинная2,1БелаяРазнокатионные фосфаты <#"justify">Mn2Zn(PO4)2 ·4H2OОрторомбическая5,134БелаяKZn2H(PO4)2 ·2,5H2O--3,37БелаяРазноанионные фосфаты <#"justify">K2Ni4(PO4)2(P2O7)Моноклинная3,65БелаяОксифосфатыBa10O(PO4)6Орторомбическая3,89БелаяFe9O8(PO4)Орторомбическая5,12Белая

1.2.2 Строение фосфатов

Из солей кислот фосфора различают ортофосфаты и полимерные (или конденсированные) фосфаты. Последние делят на полифосфаты, имеющие линейное строение фосфат-анионов (рис.4), метафосфаты с кольцеобразным (циклическим) фосфат-анионом (рис. 5) и ультрафосфаты с сетчатой, разветвленной структурой фосфат- аниона.

Ортофосфаты, как известно, делятся на одно-, двух- и трёхзамещённые.

Однозамещённые ортофосфаты, содержащие анион H2PO4, растворимы в воде, из двух- и трёхзамещённых ортофосфатов, содержащих соответственно анионы HPO42- и PO43-, растворимы только соли щелочных металлов и аммония. Каждый из трёх остатков ортофосфатов имеет тетраэдрическую структуру. А атом фосфора, который неизменно находится в степени окисления +5, во всех трёх случаях характеризуется sp3-гибридизацией атомных орбиталей, что и обуславливает тетраэдрическую структуру.[5]

Рисунок 5.Схематическое изображение строения метафосфата

1.2.3 Физико-химические свойства фосфатов

В водных растворах фосфаты гидролизуются. Все дигидрофосфаты растворимы в воде. Из гидрофосфатов и фосфатов в воде растворимы только соли щелочных металлов и аммония. В таблице 3 представлены значения температуры плавления, молекулярной теплоёмкости и стандартной энтальпии образования некоторых фосфатов.

Таблица 3

Термические свойства некоторых фосфатов

Химическая формула фосфатаТемпература плавленияМолекулярная теплоёмкостьСтандартная энтальпия образованияCa3(PO4)2.1777°C231,6 Дж/(моль·К)-4112,9 кДж/мольNa3PO41340°C195,5 Дж/(моль·К)-1922,8 кДж/мольMg3(PO4)21375°C184,86 Дж/(моль·К)- 1458,3 кДж/мольAlPO41800°C93,24 Дж/(моль·К)?1735 кДж/мольK3PO41640°C164,8 Дж/(моль·К)-1988,2 кДж/мольBa3(PO4)21727°C142,13 Дж/(моль·К)-1564,1 кДж/мольCd3(PO4)21500°C171,5 Дж/(моль·К)-946,97 кДж/моль

Средние фосфаты. Общее свойство безводных солей - стабильность при нагревании до температуры плавления. Ортофосфаты М(II)3(РО4)2 плавятся при: 1375 (M = Mg), 1777 (Ca), 1600 (Sr), 1605 (Ba), 1152 (Mn), 1345 (Ni), 1060 (Zn), 1014 0C (Pb), дифосфаты MII2P2O7 - при 1382 (Mg), 1355 (Ca), 1375 (Sr), 1430 (Ba), 1195 (Mn), 1400 (Ni), 1020 (Zn), 830 (Pb) градусов Цельсия. Исключение составляют неустойчивые фосфаты (с катионами NH+4, Hg2+), например Hg3(PO4)2, из которого часть ртути улетучивается при температуре ниже температуры плавления. Кристаллогидраты многих ортофосфатов и некоторых конденсированных фосфатов при нагревании теряют кристаллизационную воду ступенчато, без изменения состава аниона. На этом свойстве основан топохимический способ синтеза безводных солей, которые не удается получить другими способами. Так, топохимическим путем из (NH4)5P3O10·хH2O, где х=I, 2, в среде газообразного NH3 получен кристаллический (NH4)5P3O10. Средние фосфаты металлов в высоких степенях окисления не растворимы в воде, щелочных металлов и аммония - растворимы, их водные растворы имеют рН > 7. Анионы конденсированных фосфатов неорганических не стабильны в водных растворах, они последовательно превращаются в анионы низших фосфатов.

Кислые и основные фосфаты. Растворимость в воде кислых и основных фосфатов выше, чем у средних, в раствор переходят даже некоторые соли металлов в высоких степенях окисления. Благодаря этому свойству кислые фосфаты используют в качестве удобрений. При рН < 7 сложные анионы быстрее разлагаются до простых (по сравнению с рН > 7). При нагревании в результате конденсации кислые соли меняют анионный состав ниже температуры плавления, благодаря чему они служат исходными соединениями для получения многих конденсированных фосфатов. Помимо гидро- и дигидроортофосфатов щелочных металлов известны кристаллические кислые ортофосфаты: M(II)HPO4, где M = Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Mn, Zn, Cd, Sn, Pb, Hg, их кристаллогидраты с одной молекулой воды (M = Be, Mg, Cu, Zn), двумя (Ca, Со, Ni), тремя (Mg, Mn, Zn) и семью (Mg); M(II)(Н2РО4)2, где M = Mg, Sr, Ba, Cu, Cd, Sn, Pb, их кристаллогидраты с одной молекулой воды (M = Ca, Sr), двумя (Mg, Mn, Fe, Со, Ni, Zn, Cd) и четырьмя (Mg); содержащие несколько анионных форм: Со(Н2РО4)2·2H3PO4, NaH2PO4·Na2HPO4 (используется при получении триполифосфата Na). MnHPO4·3H2O во влажной среде в их объеме возникают и растут жидкие и твердые включения продуктов распада исходной кислой соли на менее протонированную соль и свободную кислоту. Что касается химических свойств, то фосфаты ведут себя аналогично другим солям. В основном, им свойственны реакции по обменному механизму с солями, щелочами, оксидами и кислотами с образованием недиссоциирующего или слабодиссоциирующего вещества [6],[7],[8].

1.3 Возможности и области практического применения

.3.1 Применение фосфорной кислоты

Область применения фосфорной кислоты поистине огромна, ниже приведен перечень некоторых из них:

Производство удобрений.

Для этих целей используется большая часть всей добываемой фосфорной кислоты. Каждый год лишь при производстве удобрений повсеместно используется свыше 90 процентов фосфорсодержащей руды. К основным производителям удобрений данного типа можно отнести Россию, США и Марокко, тогда как к основным потребителям можно отнести практически все Западноевропейские, Азиатские и Африканские страны.

Соли фосфорной кислоты потребляются растениями в виде анионов, а также соли полифосфорных кислот при проведении гидролиза. Фосфор используется растениями при образовании наиболее важных своих частей, а именно семян и плодов. Также за счет фосфорной кислоты увеличивается зимостойкость растений, они становятся устойчивей к засухе. Особенно важным условием является применение фосфорсодержащих удобрений в северных регионах с непродолжительным вегетативным периодом. Благотворно она воздействует и на саму почву, вызывая активное развитие почвенных бактерий.

Пищевая промышленность.

Е338 (ортофосфорная кислота) относится к группе антиоксидантов - добавок, защищающих продукты питания от окисления и изменения цвета. Ортофосфорная кислота применяется для подкисления продуктов питания и напитков. Она обеспечивает острый или кислый вкус. От природных подкислителей, например, лимонной кислоты, ее отличают низкая стоимость и легкость получения, что позволяет ее широко использовать при изготовлении: Хлебопекарных порошков; Плавленых сыров; Колбас; Сахара; Ароматизированных напитков - кока-колы, пепси-колы, спрайта. Хотя ортофосфорная кислота как пищевая добавка разрешена к применению в большинстве стран, в результате многих исследований было установлено ее вредное воздействие на организм. Так, она нарушает кислотно-щелочной баланс, увеличивая его кислотность. Это может провоцировать развитие различных заболеваний, например, кариеса и остеопороза. Частое употребление ортофосфорной кислоты в составе различных продуктов может вызывать нарушения работы пищеварения - рвоту, тошноту. Также длительное применение продуктов с этой пищевой добавкой может привести к отвращению к пище и потере веса.

Звероводство.

Незаменимым веществом для профилактики камней в почках и повышенной кислотности желудка является фосфорная кислота.

Деревообрабатывающая промышленность.

Растворы фосфорной кислоты используются в деревообрабатывающей промышленности для пропитки древесины, благодаря чему дерево становится негорючим.

Производство строительных материалов и бытовой химии.

С применением данной кислоты производятся устойчивые к пламени лакокрасочные материалы, такие как: эмаль, лак и пропитки, а также огнестойкий фосфатный пенопласт, плиты, изготовленные из древесины и иного рода стройматериалы.

Соли фосфорной кислоты используются, чтобы смягчить воду, также они содержатся в составе моющих средств и средств, удаляющих с накипь

Медицина.

Ортофосфорная кислота широко применяется в стоматологии при пломбировании зубов. Ею протравливают зубную эмаль перед процедурой. Основной сложностью является невозможность проконтролировать глубину и степень деминерализации дентина и эмали, а также ее полное удаление перед началом пломбировки. Остатки ортофосфорной кислоты могут привести к снижению прочности бондинга и образованию «кислотной мины». Также в незначительных количествах ортофосфорная кислота применяется в составах отбеливателей для зубов.

В результате промышленных опытов доказана целесообразность применения фосфорной кислоты для интенсификации производства обесфторенных фосфатов. Обработка апатитового концентрата небольшими количествами фосфорной и кремнефтористо-водородной кислот ( 2 % от количества апатитового концентрата) позволяет вести процесс гидротермической переработки без добавления кремнезема и снизить температуру процесса обесфторивания на 50 - 100 С по сравнению с температурой обесфторивания шихты, содержащей на 100 кг апатитового концентрата 2 кг песка, или достигать большей производительности при одинаковом температурном режиме процесса. [9]

1.3.2 Применение фосфатов

Соли фосфорной кислоты (фосфаты) широко используются в различных отраслях промышленности, в частности в нефтедобыче и электротехнике, при производстве строительных материалов, лаков, красок и различных специальных покрытий, а также зубных паст и стоматологических цементов.

Фосфаты применяются при получении различных видов стекла, включая оптическое, и фарфора. В тяжелой промышленности они используются в литейном производстве и металлообработке, а в легкой - при производстве текстиля и кожи.

В химической промышленности фосфаты нашли самое широкое применение при изготовлении моющих и чистящих средств, реагентов для тушения пожаров, фотоматериалов, бумаги.

В сельском хозяйстве фосфаты различных металлов используются для производства удобрений и кормов для животных. Ниже приведены названия наиболее часто применяемых для технических целей фосфатов и их химические формулы:

Таблица 4.

Наиболее часто применимые для технических целей фосфаты

Моноалюминий фосфат Al(Н2PO4)3 Триалюминий фосфат AlPO4 Триполифосфат алюминия AlН2P3O10 Метафосфат алюминия [Al(PO3)3]n Моноаммоний фосфат NH4H2PO4 Диаммоний фосфат (NH4)2HPO4 Монобарий фосфат Ва(Н2PO4)2 Фосфат бора ВPO4 Монокальций фосфат Са(H2PO4)2 Дикальций фосфат СаHPO4 Трикальций фосфат Са5(PO4)3ОН ?-Трикальций фосфат Са3(PO4)2 Пирофосфат кальция Са2P2O7 Фосфат карбамида СО(NH2)2 x H3PO4 Пирофосфат меди (II) Cu2P2O7 Ортофосфат железа (III) FePO4 Пирофосфат железа (III) Fe4(P2O7)3 Монолитий фосфат LiH2PO4 Трилитий фосфат Li3PO4 Фосфат магния Mg(H2PO4)2 Димагний фосфат MgHPO4 Тримагний фосфат Mg3(PO4)2 Метафосфат магния [Mg(PO3)2]n Мономарганец фосфат Mn(H2PO4)2 Димарганец фосфат MnHPO4 Тримарганец фосфат Mn3(PO4)2 Фосфонаты Монокалий фосфат КH2РО4 Дикалий фосфат К2HРО4 Трикалий фосфат К3РО4 Тетракалий пирофосфат К4Р2О7 Триполифосфат калия К5Р3О10 Полифосфат калия (КРО3)n Мононатрий фосфат NaH2PO4 Динатрий фосфат Na2HPO4 Тринатрий фосфат Na3PO4 Кислый пирофосфат натрия Na2H2Р2О7