"Ортофосфор қышқылы" деген атау осы нақты қышқылды басқа "фосфор қышқылдарынан", мысалы, пирофосфор қышқылынан ажырату үшін қолданылады. Дегенмен, "фосфор қышқылы" термині көбінесе осы нақты қосылысты білдіреді; және бұл қазіргі IUPAC номенклатурасы.
The name "orthophosphoric acid" can be used to distinguish this specific acid from other "phosphoric acids", such as pyrophosphoric acid. Nevertheless, the term "phosphoric acid" often means this specific compound; and that is the current IUPAC nomenclature.
Өндіріс
Фосфор қышқылы өнеркәсіптік түрде екі бағыттың бірімен – ылғалды және құрғақ процестер арқылы өндіріледі.
Phosphoric acid is produced industrially by one of two routes, wet processes and dry.
Құрғақ процесс
Тамаққа арналған фосфор қышқылын өндіру үшін фосфат кені электр доғалы пеште кокспен тотықтырылып, элементтік фосфор алынады. Бұл процесс термиялық процесс немесе электр пешіндегі процесс деп те аталады. Кремний де қосылады, нәтижесінде кальций силикатынан тұратын шлак түзіледі. Элементтік фосфор пештен дистилляцияланып, ауада жағылып, жоғары тазалықтағы фосфор пентоксидіне айналады, ол сумен ерітіліп фосфор қышқылына түрлендіріледі. Термиялық процесс өте жоғары концентрациялы (шамамен 85%) P2O5 және төмен мөлшердегі қоспалармен фосфор қышқылын өндіреді. Дегенмен, бұл процесс ылғалды процесске қарағанда қымбатқа түседі және көбірек энергия қажет етеді, ол төмен концентрациялы (шамамен 26-52%) P2O5 және жоғары мөлшердегі қоспалармен фосфор қышқылын өндіреді. Ылғалды процесс – тыңайтқыштар үшін фосфор қышқылын өндірудің ең көп таралған әдісі. Дереккөз: Фосфор қышқылы және фосфатты тыңайтқыштар: шолу.
To produce food grade phosphoric acid, phosphate ore is first reduced with coke in an electric arc furnace, to give elemental phosphorus. This process is also known as the thermal process or the electric furnace process. Silica is also added, resulting in the production of calcium silicate slag. Elemental phosphorus is distilled out of the furnace and burned with air to produce high purity phosphorus pentoxide, which is dissolved in water to make phosphoric acid. The thermal process produces phosphoric acid with a very high concentration of P2O5 (about 85%) and a low level of impurities. However, this process is more expensive and energy intensive than the wet process, which produces phosphoric acid with a lower concentration of P2O5 (about 26 52%) and a higher level of impurities. The wet process is the most common method of producing phosphoric acid for fertilizer use. Source: Phosphoric Acid and Phosphatic Fertilizers: A profile
Тазарту
Фосфаттық тау жыныстарынан немесе жылу процестерінен алынған фосфор қышқылы көбінесе тазартуды қажет етеді. Тазартудың көп қолданылатын әдісі – сұйық-сұйық экстракция, ол фосфор қышқылын судан және басқа да қоспалардан трибутил фосфаты (TBP), метил изобутил кетоны (MIBK) немесе n-октанол сияқты органикалық еріткіштерді пайдалану арқылы бөліп алуды қамтиды. Нанофильтрация – бұл жоғары молекулалық салмақты полиэтилениминдердің поликатиондық полимерімен функционалдық жабдықталған, алдын ала модификацияланған нанофильтрациялық мембрананы қолдануды қамтиды. Нанофильтрация кадмий, алюминий, темір және сирек кездесетін жер элементтері сияқты әртүрлі қоспалардың концентрациясын айтарлықтай төмендетуге қабілетті екені көрсетілді. Зертханалық және өндірістік пилоттық сынақтардың нәтижелері осы процестің тағамдық сападағы фосфор қышқылын өндіруге мүмкіндік беретінін көрсетті. Фракциялық кристалдану, әдетте жартылай өткізгіш қолданулар үшін қажетті ең жоғары тазалық деңгейіне жетеді. Әдетте, статикалық кристалдағыш қолданылады. Статикалық кристалдағыш – бұл тік пластиналардан тұрады, олар балқыған қоспаға батырылып, жылу тасымалдау ортасымен кезектесіп салқындатылып және қыздырылады. Процесс жылу тасымалдау ортасының қату температурасынан төмендеуімен басталады. Бұл салқындату пластиналардың бетінде кристалл қабатының пайда болуына себеп болады. Қоспалар кристаллдардан шығарылып, қалған балқымада жинақталады. Көзге көрінетін фракция кристалдағаннан кейін, қалған балқыма кристалдағыштан ағызылады. Тазартылған кристалл қабаты пластиналарға жабысып қалады. Келесі қадамда пластиналар қайтадан қыздырылып, кристалдар сұйылтылады және тазартылған фосфор қышқылы өнімге құйылады. Кристалдағыш қайтадан қоректік заттармен толтырылады және келесі салқындату циклы басталады. Дереккөз: Фракциялық кристалдану.
Phosphoric acids produced from phosphate rock or thermal processes often requires purification. A common purification methods is liquid liquid extraction, which involves the separation of phosphoric acids from water and other impurities using organic solvents, such as tributyl phosphate (TBP), methyl isobutyl ketone (MIBK), or n octanol. Nanofiltration involves the use of a premodified nanofiltration membrane, which is functionalized by a deposit of a high molecular weight polycationic polymer of polyethyleneimines. Nanofiltration has been shown to significantly reduce the concentrations of various impurities, including cadmium, aluminum, iron, and rare earth elements. The laboratory and industrial pilot scale results showed that this process allows the production of food grade phosphoric acid. Fractional crystallization can achieve highest purities typically used for semiconductor applications. Usually a static crystallizer is used. A static crystallizer uses vertical plates, which are suspended in the molten feed and which are alternatingly cooled and heated by a heat transfer medium. The process begins with the slow cooling of the heat transfer medium below the freezing point of the stagnant melt. This cooling causes a layer of crystals to grow on the plates. Impurities are rejected from the growing crystals and are concentrated in the remaining melt. After the desired fraction has been crystallized, the remaining melt is drained from the crystallizer. The purer crystalline layer remains adhered to the plates. In a subsequent step, the plates are heated again to liquify the crystals and the purified phosphoric acid drained into the product vessel. The crystallizer is filled with feed again and the next cooling cycle is started. Source: Fractional Crystallization
Қышқылдық қасиеттері
Сулы ерітіндіде фосфор қышқылы үш протонды қышқыл ретінде әрекет етеді. H3PO4 ⇌ H2PO4 + H+, pKa1 = 2.14
H2PO4 ⇌ HPO4(2-) + H+, pKa2 = 7.20
HPO4(2-) ⇌ PO4(3-) + H+, pKa3 = 12.37
Бірден кейін бірі келетін pKa мәндерінің айырмашылығы жеткілікті түрде үлкен болғандықтан, фосфор қышқылының ерітіндісінен pH-ты тиісті pKa мәндерінің арасында реттеу арқылы моногидроген фосфат немесе дигидроген фосфат тұздарын дайындауға болады.
In aqueous solution phosphoric acid behaves as a triprotic acid. |H3PO4 ⇌ H2PO4 + H+, pKa1 = 2.14
|H2PO4 ⇌ HPO4(2 ) + H+, pKa2 = 7.20
|HPO4(2 ) ⇌ PO4(3 ) + H+, pKa3 = 12.37
The difference between successive pKa values is sufficiently large so that salts of either monohydrogen phosphate, |HPO4(2 ) or dihydrogen phosphate, |H2PO4 , can be prepared from a solution of phosphoric acid by adjusting the pH to be mid way between the respective pKa values.
Сулы ерітінділер
62,5%-ға дейін сулы ерітінділер |H3PO4 эвтектикалық болып, қату температурасы 85°C-қа дейін төмендейді. Бұл температурадан асып кеткенде қату температурасы көтеріледі, 85% |H3PO4 (салмақ бойынша; моногидрат) кезінде 21°C-қа жетеді. Бұдан әрі фазалық диаграмма күрделенеді, маңызды жергілікті максимумдар мен минимумдар пайда болады. Осы себепті фосфор қышқылы көбінесе 85%-дан жоғары сатылмайды, себебі одан артық ылғал қосу немесе алу бүкіл массаның қатуына әкелуі мүмкін, бұл ірі көлемде үлкен мәселе тудырады. 91,6% концентрацияда жергілікті максимум байқалады, ол 2H3PO4•H2O гемигидратына сәйкес келеді және 29,32°C температурада қатаяды. 23,5°C қату температурасы бар 94,75% концентрацияда екінші, кішірек эвтектикалық төмендеу бар. Жоғары концентрацияларда қату температурасы жылдам өседі. Концентрацияланған фосфор қышқылы кристалдану алдында суып қалуға бейім, тіпті қату температурасынан төмен сақталғанда да кристалдануға төзімді болуы мүмкін.
Aqueous solutions up to 62.5% |H3PO4 are eutectic, exhibiting freezing point depression as low as 85°C. Beyond this freezing point increases, reaching 21°C by 85% |H3PO4 (w/w; the monohydrate). Beyond this the phase diagram becomes complicated, with significant local maxima and minima. For this reason phosphoric acid is rarely sold above 85%, as beyond this adding or removing small amounts moisture risks the entire mass freezing solid, which would be a major problem on a large scale. A local maximum at 91.6% which corresponds to the hemihydrate 2H3PO4•H2O, freezing at 29.32°C. There is a second smaller eutectic depression at a concentration of 94.75% with a freezing point of 23.5°C. At higher concentrations the freezing point rapidly increases. Concentrated phosphoric acid tends to supercool before crystallization occurs, and may be relatively resistant to crystallisation even when stored below the freezing point.
Қауіпсіздік
Фосфор қышқылы күшті қышқыл емес. Дегенмен, фосфор қышқылының орташа концентрациядағы ерітінділері теріді тітіркендіреді. Концентрацияланған ерітінділермен тікелей жанасу теріде күйік пен көзге қайтымсыз зақым келтіруі мүмкін. Ұзақ мерзімді және үнемі кока-кола ішу мен орта жастан кейін әйелдерде остеопороздың пайда болуы арасында байланыс бар екені дәлелденді (бірақ ерлерде емес).
Phosphoric acid is not a strong acid. However, at moderate concentrations phosphoric acid solutions are irritating to the skin. Contact with concentrated solutions can cause severe skin burns and permanent eye damage. A link has been shown between long term regular cola intake and osteoporosis in later middle age in women (but not men).