Kwas fosforowy (V) (Ortofosforowy) 85%

Kwas fosforowy(V) (kwas ortofosforowy) 85%

Inne nazwy:kwas ortofosforowy, kwas fosforowy, kwas fosforowy(V), kwas ortofosforowy
Wzór chemiczny: H₃PO₄
Stężenie: 85 wt.% H₃PO₄ w wodzie
Masa molowa: 98.00 g/mol (czysty H₃PO₄)
Numer CAS: 7664-38-2
SMILES: OP(=O)(O)O
Wygląd: Przejrzysta, bezbarwna, lepka ciecz
Gęstość: Około 1.685 g/cm³ w 25 °C
Przybliżone stężenie: 14.6 mol/L H₃PO₄

Kwas fosforowy(V), powszechnie znany jako kwas ortofosforowy, jest nieorganicznym tlenowym kwasem fosforu, w którym fosfor występuje na stopniu utlenienia +5. Cząsteczka zawiera centralny atom fosforu związany z czterema atomami tlenu i jest konwencjonalnie zapisywana jako OP(OH)₃ . 85 wt.% roztwór wodny jest stężoną, silnie kwaśną i bardzo lepką cieczą, szeroko stosowaną jako odczynnik chemiczny, środek do obróbki powierzchni oraz prekursor nieorganicznych materiałów fosforanowych. Dane referencyjne NIST podają masę cząsteczkową 97.9952 g/mol i numer rejestracyjny CAS 7664-38-2 dla H₃PO₄.

Właściwości chemiczne i fizyczne

85 wt.% roztwór wodny kwasu fosforowego ma gęstość około 1.685–1.686 g/cm³ w 25 °C. Przy takim stężeniu 100 g roztworu zawiera około 85 g H₃PO₄ oraz 15 g wody, co odpowiada przybliżonemu stężeniu molowemu 14.6 mol/L. Roztwór stężony jest znacznie bardziej lepki niż woda z powodu rozległego tworzenia wiązań wodorowych i silnych oddziaływań między cząsteczkami kwasu fosforowego, gatunkami fosforanowymi i wodą.

Kwas fosforowy jest kwasem trójprotonowym, zdolnym do uwalniania trzech protonów w kolejnych równowagach. Reprezentatywne stałe dysocjacji w wodzie wynoszą w przybliżeniu pK_a1 = 2.15, pK_a2 = 7.20 oraz pK_a3 = 12.35. W konsekwencji dominujący gatunek zawierający fosfor silnie zależy od pH: H₃PO₄ dominuje w silnie kwaśnych warunkach, H₂PO₄ ⁻ przy pH od umiarkowanie kwaśnego do bliskiego obojętnemu, HPO₄ ²⁻ w warunkach umiarkowanie zasadowych oraz PO₄ ³⁻ przy wysokim pH.

W odróżnieniu od mocnych kwasów mineralnych, takich jak kwas solny lub kwas azotowy, kwas fosforowy jest niewrzący w zwykłych warunkach. Stężony wodny kwas fosforowy ma wysoką temperaturę wrzenia; dane referencyjne dla handlowego materiału 85 wt.% zwykle podają około 158 °C. Ogrzewanie stężonego kwasu fosforowego do wyższych temperatur stopniowo usuwa wodę i może sprzyjać kondensacji do kwasu pirofosforowego oraz wyższych kwasów polifosforowych.

Zastosowania

Kwas fosforowy jest szeroko stosowany w obróbce powierzchni metali i procesach fosforanowania. Reakcja z powierzchniami metalicznymi oraz odpowiednimi jonami metali może wytwarzać przylegające warstwy konwersyjne zawierające fosforany. Takie zabiegi są badane i stosowane w celu poprawy odporności korozyjnej, modyfikacji chemii powierzchni oraz zapewnienia odpowiedniego podłoża pod kolejne powłoki, farby i warstwy polimerowe.

W chemii laboratoryjnej i syntezie 85% kwas fosforowy jest używany jako kwaśne medium reakcyjne, źródło protonów oraz odczynnik sprzyjający odwodnieniu. Jego stosunkowo niska lotność sprawia, że jest użyteczny w reakcjach wymagających silnie kwaśnych warunków w podwyższonych temperaturach, bez szybkiego parowania charakterystycznego dla bardziej lotnych kwasów. Stosuje się go także do regulacji pH oraz do przygotowania buforów fosforanowych po kontrolowanej neutralizacji.

Kwas fosforowy jest stosowany w syntezie nieorganicznych fosforanów i materiałów funkcjonalnych zawierających fosforany. Reakcja z tlenkami metali, wodorotlenkami, węglanami lub solami umożliwia otrzymywanie fosforanów metali znajdujących zastosowanie w katalizie, ceramice, chemii powierzchni i materiałach elektrotechnicznych. Specjacja i struktura powstających faz fosforanowych silnie zależą od pH, stechiometrii, temperatury oraz rodzaju kationu metalu.

Stężony kwas fosforowy jest intensywnie badany w materiałach przewodzących protony. Polimerowe membrany domieszkowane H₃PO₄ mogą wykazywać znaczną przewodność protonową, ponieważ kwas fosforowy tworzy rozległe sieci wiązań wodorowych zdolne do przenoszenia protonów. Takie układy polimerowe domieszkowane kwasem są badane pod kątem wysokotemperaturowych ogniw paliwowych z membraną do wymiany protonów oraz pokrewnych urządzeń elektrochemicznych. W badaniach naukowych podczas domieszkowania membran powszechnie stosuje się 85 wt.% kwas fosforowy.

Kwas fosforowy jest również używany jako środek aktywujący chemicznie przy wytwarzaniu węgla aktywnego i porowatych materiałów węglowych. Podczas obróbki termicznej może sprzyjać odwodnieniu, zmieniać ścieżki karbonizacji i przyczyniać się do rozwoju struktur porowatych. Otrzymywana powierzchnia właściwa, rozkład porów i funkcjonalność powierzchni zależą od składu prekursora, stosunku kwasu do prekursora oraz temperatury aktywacji.

Postępowanie i bezpieczeństwo

Kwas fosforowy 85% jest silnie żrący i może powodować ciężkie uszkodzenia skóry i oczu. Należy więc unikać kontaktu ze stężonym materiałem poprzez stosowanie odpowiednich, chemicznie odpornych rękawic, odzieży ochronnej oraz ochrony oczu lub twarzy. Czynności, w których mogą powstawać aerozole lub rozpryski, należy wykonywać przy odpowiedniej wentylacji.

Rozcieńczanie stężonego kwasu fosforowego wodą jest egzotermiczne. Nie należy więc szybko wprowadzać wody do dużej ilości stężonego kwasu. Kontrolowane rozcieńczanie laboratoryjne przeprowadza się przez powolne dodawanie kwasu do odpowiedniej ilości wody przy mieszaniu i, w razie potrzeby, z zewnętrznym chłodzeniem.

Kwas fosforowy reaguje z zasadami, tworząc diwodorofosforany, wodorofosforany lub ortofosforany w zależności od stopnia zobojętnienia. Może również reagować z reaktywnymi metalami i tlenkami metali. Zbiorniki magazynowe i aparatura procesowa powinny być więc dobrane pod kątem kompatybilności ze stężonymi roztworami kwasowymi.

Źródła literaturowe

NIST Chemistry WebBook, SRD 69. Phosphoric Acid. CAS Registry Number 7664-38-2. National Institute of Standards and Technology.

Chase, M. W., Jr. NIST-JANAF Thermochemical Tables, Fourth Edition. Journal of Physical and Chemical Reference Data, Monograph 9, 1998, 1–1951.

Morris, R. A.; Knighton, W. B.; Viggiano, A. A.; Hoffman, B. C.; Schaefer, H. F. The Gas-Phase Acidity of H₃PO₄. Journal of Chemical Physics, 1997, 106, 3545. DOI: 10.1063/1.473465.

Upadhyay, D. et al. Carbonate clumped isotope analysis of carbonate standards determined via gas-source isotope-ratio mass spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2021, 35, e9143. DOI: 10.1002/rcm.9143.

Reference physicochemical data for aqueous orthophosphoric acid report a density of approximately 1.686 g/cm³ at 25 °C for the 85 wt.% solution and describe the concentration-dependent formation of condensed phosphoric acids at higher nominal acid concentrations.

Safety Information

Signal Word: ⚠️ Warning

GHS Hazard Statements

Handling and Storage

• Handling:

  • Use in a well-ventilated area or under appropriate fume extraction.

  • Avoid any contact with skin, eyes, and clothing.

  • Handle using proper personal protective equipment (PPE).

• Storage:

  • Store in tightly sealed, corrosion-resistant containers in a cool, dry, and well-ventilated area.

  • Keep away from incompatible substances such as strong bases and reactive metals.

  • Protect from moisture and maintain a secure environment to prevent leaks.