Estrutura, nomenclatura, propriedades, usos do ácido fosfórico (H3PO4)

O ácido fosfórico é um oxoácido de fósforo que tem uma fórmula química H₃PO₄. Consiste em um ácido mineral no qual três prótons ácidos são ligados ao ânion fosfato (PO₄^3-). Embora não seja considerado um ácido forte, seu uso inadequado pode representar um risco à saúde.

Ela pode ser encontrada em dois estados: como um sólido na forma de espessos cristais ortorrômbicos, ou um líquido cristalino que se parece com xarope. Sua apresentação comercial mais usual tem uma concentração de 85% w / w e uma densidade de 1,685 g / cm³. Essa densidade vem da mão da concentração.

Os três grupos OH são responsáveis ​​por doar os hidrogênios ácidos. Devido à presença deles em sua estrutura, pode reagir com diferentes hidróxidos originando vários sais.

No caso do hidróxido de sódio, pode formar três: fosfato de sódio monobásico (NaH)₂PO₄), fosfato de sódio dibásico (Na₂HPO₄) e fosfato de sódio tribásico (Na₃PO₄).

No entanto, dependendo de qual base é usada para a sua neutralização, ou quais são os cátions muito próximos, pode formar outros sais de fosfatos. Entre eles estão: fosfato de cálcio (Ca₃(PO₄)₂), fosfato de lítio (Li₃PO₄), fosfato férrico (FePO₄), as outras. Cada um com seus diferentes graus de protonação do ânion fosfato.

Por outro lado, o ácido fosfórico pode "seqüestrar" cátions divalentes como o Fe.²⁺Cu²⁺Ca²⁺ e Mg²⁺. Em altas temperaturas, pode reagir com a perda de uma molécula H₂Ou, formando dímeros, trímeros e polímeros de ácidos fosfóricos.

Este tipo de reacção faz com que este composto seja capaz de estabelecer um grande número de estruturas com esqueletos de fósforo e oxigénio, a partir dos quais também se pode obter uma vasta gama de sais conhecidos, tais como polifosfatos.

Em relação à sua descoberta, foi sintetizada em 1694 por Robert Boyle, dissolvendo P₂O₅ (pentóxido de fósforo) em água. É um dos ácidos minerais com maior utilidade, sendo a sua função como fertilizante a mais importante. Fósforo, juntamente com potássio e nitrogênio são os três principais nutrientes das plantas.

Índice

• 1 estrutura química
  • 1.1 Ácido difosfórico (H4P2O7)
  • 1.2 Ácidos polifosfóricos
  • 1.3 Ácidos polifosfóricos cíclicos
• 2 Nomenclatura
  • 2,1 Orto
  • 2,2 Piro
  • 2.3 Meta
• 3 Propriedades
  • 3.1 Fórmula Molecular
  • 3.2 Peso Molecular
  • 3.3 Aparência Física
  • 3.4 Pontos de ebulição e fusão
  • 3.5 Solubilidade na água
  • 3,6 Densidade
  • 3,7 Densidade de vapor
  • 3,8 Auto ignição
  • 3.9 Viscosidade
  • 3.10 Acidez
  • 3.11 Decomposição
  • 3.12 Corrosividade
  • 3.13 Polimerização
• 4 usos
  • 4.1 Sais de fosfatos e usos gerais
  • 4.2 Industrial
  • 4.3 Dentistas
  • 4.4 Cosméticos
• 5 Formação de ácido fosfórico
• 6 Riscos
• 7 referências

Estrutura química

O ácido fosfórico consiste em uma ligação P = O e três P-OH, onde os últimos são os portadores dos hidrogênios ácidos liberados em um meio de dissolução. Com o átomo de fósforo no centro, os oxigênios desenham uma espécie de tetraedro molecular.

Desta forma, o ácido fosfórico pode ser visualizado como um tetraedro. Nesta perspectiva, disse o tetraedro (por unidades de H₃PO₄) interagem entre si por pontes de hidrogênio; isto é, seus vértices se aproximam.

Essas interações intermoleculares permitem que o ácido fosfórico se cristalize em dois sólidos: o anidro e o hemi-hidratado (H₃PO₄· 1 / 2H₂O), ambos com sistemas de cristal monoclínico. Sua forma anidra também pode ser descrita com a fórmula: 3H₂O · P₂O₅, que é igual a um pentóxido de fósforo tri-hidratado.

O tetraedro pode até ligar-se covalentemente, mas para isso uma das suas unidades deve remover uma molécula de água por desidratação. Isso ocorre quando o H₃PO₄ é submetido a aquecimento e, como consequência, gera a formação de ácidos polifosfóricos (PA).

Ácido difosfórico (H₄P₂O₇)

O mais simples de todos os PAs é o ácido difosfórico (H₄P₂O₇), também conhecido como ácido pirofosfórico. A equação química de sua formação é a seguinte:

2H₃PO₄ <=> H₄P₂O₇ + H₂O

O saldo depende da quantidade de água e da temperatura. Qual é a sua estrutura? Na imagem da seção, estruturas de ácido ortofosfórico e ácido pirofosfórico são ilustradas no canto superior esquerdo.

Duas unidades são ligadas de forma covalente, eliminando uma molécula de água, formando uma ponte de oxigênio P-O-P entre elas. Agora existem três hidrogênios ácidos, mas quatro (quatro grupos -OH). Por causa disso, o H₄P₂O₇ apresenta quatro constantes de ionização k_um.

Ácidos polifosfóricos

A desidratação pode prosseguir com o ácido pirofosfórico se o aquecimento continuar. Por quê? Porque em cada extremidade de sua molécula há um grupo OH que pode ser eliminado como uma molécula de água, promovendo assim o crescimento subseqüente do esqueleto P-O-P-O-P ...

Exemplos destes ácidos são os ácidos tripolifosfórico e tetrapolifosfórico (ambos ilustrados na imagem). Pode-se observar como o esqueleto P-O-P se alonga em uma espécie de cadeia formada por tetraedros.

Estes compostos podem ser representados pela fórmula HO (PO₂OH)_xH, onde HO é a extremidade esquerda que pode ser desidratada. PO₂OH é o esqueleto de fósforo com as ligações P = O e OH; e x são as unidades ou moléculas de ácidos fosfóricos necessárias para obter a referida cadeia.

Quando estes compostos são completamente neutralizados com uma base, originam-se os chamados polifosfatos. Dependendo de quais cátions os cercam, eles formam uma ampla variedade de sais de polifosfato.

Por outro lado, se eles reagem com os álcoois de ROH, os hidrogênios em sua coluna vertebral são substituídos pelos substituintes R-alquila. Assim, os ésteres de fosfato (ou polifosfato) surgem: RO (PO₂OU)_xR. Basta substituir o H por R em todas as estruturas da imagem da seção para obtê-las.

Ácidos polifosfóricos cíclicos

As cadeias P-O-P podem até ser fechadas em um ciclo de anel ou fosfórico. O mais simples desse tipo de composto é o ácido trimetafosfórico (canto superior direito da imagem). Assim, os PAs podem ser lineares, cíclicos; ou se suas estruturas exibem ambos os tipos, ramificados.

Nomenclatura

A nomenclatura do ácido fosfórico é ditada pela IUPAC e como os sais ternários dos oxoácidos são nomeados.

Porque no H₃PO₄ o átomo de P tem valência +5, o valor mais alto, seu ácido é atribuído o sufixo -ico ao prefixo fosfor-.

Orto

No entanto, o ácido fosfórico é também comumente referido como ácido ortofosfórico. Por quê? Porque a palavra "orto" é grego e significa "verdadeiro"; o que seria traduzido na "forma verdadeira" ou "mais hidratada" do mesmo.

Quando o anidrido fosfórico é hidratado com excesso de água (P₄O₁₀, o fósforo "cap" na imagem acima) H é produzido₃PO₄ (3H₂O · P₂O₅). Assim, o prefixo orto é atribuído aos ácidos formados com água abundante.

Piro

O prefixo pyro refere-se a todos os compostos originados após a aplicação do calor, uma vez que o ácido difosfórico surge da desidratação térmica do ácido fosfórico. É, portanto, chamado ácido pirofosfórico (2H₂O · P₂O₅).

Objetivo

O prefixo meta, que também é uma palavra grega, significa "depois". É adicionado às substâncias cuja fórmula eliminou uma molécula, neste caso, a da água:

H₃PO₄ => HPO₃ + H₂O

Note que desta vez a adição de duas unidades fosfóricas não ocorre para formar o ácido difosfórico, mas sim o ácido metafosfórico (do qual não há evidência de sua existência) é obtido.

Também é importante notar que este ácido pode ser descrito como H₂O · P₂O₅ (semelhante ao hemidrato, multiplicando HPO₃ para 2). O prefixo meta vem perfeitamente de acordo com o PA cíclico, porque se o ácido trifosfórico é desidratado, mas não adiciona outra unidade H₃PO₄ para se tornar ácido tetrafosfórico, então deve formar um anel.

E esse é o caso de outros ácidos polimetafosfóricos, embora a IUPAC recomende chamá-los de compostos cíclicos da PA correspondente.

Propriedades

Fórmula molecular

H₃PO₄

Peso molecular

97,994 g / mol

Aspecto físico

Na sua forma sólida apresenta cristais ortorrômbicos, higroscópicos e transparentes. Sob a forma líquida é cristalino da aparência de um xarope viscoso.

Comercialmente é conseguido em solução aquosa com uma concentração de 85% p / p. Em todas essas apresentações, falta odor.

Pontos de ebulição e fusão

158 ºC (316 ºF a 760 mmHg).

108º F (42,2º C).

Solubilidade em água

548 g / 100 g de H₂Ou a 20º C; 369,4 g / 100 ml a 0,5; 446 g / 100m a 14,95º C.

Densidade

1,892 g / cm³ (sólido); 1,841 g / cm³ (Solução 100%); 1,685 g / cm³ (Solução a 85%); 1,334 g / cm³ Solução a 50%) a 25 ° C.

Densidade de vapor

Relativo ao ar 3,4 (ar = 1).

Auto ignição

Não é inflamável.

Viscosidade

3,86 mPoise (solução a 40% a 20 ºC).

Acidez

pH: 1,5 (solução 0,1 N em água)

pKa: pKa1 = 2,148; pKa2 = 7,198 e pKa3 = 12,319. Portanto, seu hidrogênio mais ácido é o primeiro.

Decomposição

Quando aquecido, liberta óxidos de fósforo. Se a temperatura subir para 213 ° C ou mais, ela se tornará ácido pirofosfórico (H₄P₂O₇).

Corrosividade

Corrosivo para metais ferrosos e alumínio. Ao reagir com esses metais, o gás combustível hidrogênio se origina.

Polimerização

Polimeriza violentamente com compostos azo, epóxidos e compostos polimerizáveis.

Usos

Sais de fosfato e usos gerais

-O ácido fosfórico serve como base para a elaboração de fosfatos, que são usados ​​como fertilizantes, porque o fósforo é um nutriente principal das plantas.

-Ele tem sido usado no tratamento de envenenamento por chumbo e outras condições em que são necessárias quantidades significativas de fosfato e a produção de acidose leve.

-É usado para controlar o pH do trato urinário de martas e despesas, a fim de evitar a formação de pedras nos rins.

-O ácido fosfórico origina os sais de Na₂HPO₄ e NaH₂PO₄ que constituem um sistema tampão para pH com um pKa de 6,8. Este sistema regulatório de pH está presente no homem, tendo importância na regulação do pH intracelular, bem como no gerenciamento da concentração de hidrogênio nos túbulos distais e coletores dos néfrons.

-É usado na eliminação da camada mofada de óxido de ferro que se acumula neste metal. O ácido fosfórico forma fosfato de ferro que pode ser facilmente removido da superfície do metal. Também é usado no polimento elétrico de alumínio e é um agente ligante de produtos refratários, como alumina e magnésia.

Industrial

-O ácido fosfórico destina-se como um agente catalítico na fabricação de Nylon e gasolina. É utilizado como agente desidratante na gravação litográfica, na fabricação de corantes para uso na indústria têxtil, no processo de coagulação do látex na indústria da borracha e na purificação do peróxido de hidrogênio.

-O ácido é usado como um aditivo em refrigerantes, contribuindo assim para o seu sabor. Diluído é aplicado no processo de refino de açúcar. Também atua como um sistema de buffer na preparação de presunto, gelatina e antibióticos.

-Ele intervém na elaboração de detergentes, na catálise ácida da produção de acetileno.

-É usado como um acidulante em alimentos equilibrados para a indústria pecuária e animais de estimação. A indústria farmacêutica usa na fabricação de medicamentos antieméticos. Também é usado em uma mistura para fazer asfalto para pavimentar o chão e reparar rachaduras.

-O ácido fosfórico age como um catalisador na reação de hidratação de alcenos para produzir álcool, principalmente etanol. Além disso, é utilizado na determinação de carbono orgânico em solos.

Dental

É usado por dentistas para limpar e condicionar a superfície do dente antes da colocação dos suportes dentários. Também é útil no clareamento dentário e na remoção de placas dentárias. Além disso, é utilizado na fabricação de adesivos para próteses dentárias.

Cosméticos

O ácido fosfórico é utilizado para ajustar o pH na preparação de produtos cosméticos e para cuidados com a pele. É usado como um agente oxidante químico para a produção de carvão ativado.

Formação de ácido fosfórico

- O ácido fosfórico é preparado a partir de rochas de fosfato do tipo apatita por digestão com ácido sulfúrico concentrado:

Ca₃(PO₄)₂ + 3 H₂SO₄ + 6 H₂O => 2 H₃PO₄ + 3 (CaSO₄.2H₂O)

O ácido fosfórico obtido nesta reação é de baixa pureza, sendo submetido a um processo de purificação que inclui técnicas de precipitação, extração por solventes, cristalização e troca iônica.

- O ácido fosfórico pode ser produzido pela dissolução do pentóxido de fósforo em água a ferver.

-Ele também pode ser obtido por aquecimento de fósforo com uma mistura de ar e vapor de água:

P₄ (l) + 5 O₂ (g) => P₄O₁₀ (s)

P₄O₁₀ (s) + H₂O (g) => 4H₃PO₄ (l)

Riscos

-Porque a sua pressão de vapor é baixa à temperatura ambiente, é improvável que os seus vapores possam ser inalados, a menos que o ácido seja pulverizado. Em caso afirmativo, os sintomas da inalação incluem: tosse, dor de garganta, falta de ar e dificuldade para respirar.

-A literatura cita o caso de um marinheiro que foi exposto a vapores de ácido fosfórico por um longo período de tempo. Ele sofreu fraqueza geral, tosse seca, dor no peito e problemas respiratórios. Após um ano de exposição, observou-se disfunção reativa das vias aéreas.

-O contato da pele com ácido fosfórico pode causar vermelhidão, dor, bolhas e queimaduras na pele.

-O contato do ácido com os olhos, dependendo de sua concentração e da duração do contato, pode produzir nestas lesões, lesões corrosivas nos tecidos ou queimaduras graves com danos oculares permanentes.

-A ingestão de ácido provoca queimaduras na boca e garganta, sensação de queimação além do esterno, dor abdominal, vômitos, choque e colapso.

Referências

1. Sociedade Real de Química. (2015). Ácido fosfórico. Retirado de: chemspider.com
2. Centro Canadense de Saúde e Segurança Ocupacional. (1999). Ácido fosfórico - Efeitos na saúde. Retirado de: ccsso.ca
3. Acidos.Info. (2018) Ácido fosfórico "Variedade de usos deste composto químico". acidos.info
4. James P.Smith, Walter E. Brown e James R. Lehr. (1955). Estrutura do Ácido Fosfórico Cristalino. J. Am. Chem, Soc. 77, 10, 2728-2730
5. Wikipédia. (2018) Ácidos e fosfatos fosfóricos. Retirado de: en.wikipedia.org
6. A ciência é divertida. Aprenda sobre o ácido fosfórico. [PDF] Retirado de: scifun.chem.wisc.edu